Информационные системы

45

Оглавление

Введение

Глава 1. Информационные системы

1.1 Аспекты применения ГИС

1.2 Информационные системы с пространственной локализацией данных

1.3 Статистические информационные системы

1.4 Региональная эколого-экономической система

1.5 Маркетинговая информационная система

1.6 Системы автоматизированного проектирования

1.7 Отраслевые системы автоматизированного управления

Глава 2. Общие характеристики

2.1 Системы с пространственной локализацией данных

2.2 Нормализация данных

2.3 Особенность создания баз данных с пространственно - локализованными данными

2.4Структура интегрированной системы

2.5 Информационная основа интегрированной информационной системы

2.6 Семиотический подход к организации моделей данных

Глава 3. Основные характеристики и виды информационных моделей данных

3.1 Масштаб действия и жизненный цикл модели

3.2 Многоаспектность ГИС

Заключение

Библиографический список

Введение

Геоинформационные системы (ГИС) являются классом информационных систем, имеющим свои особенности. Они построены с учетом закономерностей геоинформатики и методов, применяемых в этой науке. ГИС как интегрированные информационные системы предназначены для решения различных задач науки и производства на основе использования пространственно - локализованных данных об объектах и явлениях природы и общества. Неразрывно с ГИС связаны геоинформационные технологии. Геоинформационные технологии можно определить как совокупность программно-технологических средств получения новых видов информации об окружающем мире. Геоинформационные технологии предназначены для повышения эффективности: процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки принятия решений. ГИС имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при изучении этих систем. Одна из особенностей ГИС и геоинформационных технологий состоит в том, что они являются элементами информатизации общества. Это заключается во внедрении ГИС и геоинформационных технологий в науку, производство, образование и применение в практической деятельности получаемой информации об окружающей реальности. Геоинформационные технологии являются новыми информационными технологиями, направленными на достижение различных целей, включая информатизацию производственно-управленческих процессов. Другой особенностью ГИС является то, что как информационные системы они являются результатом эволюции этих систем и поэтому включают в себя основы построения и функционирования информационных систем. ГИС как система включает множество взаимосвязанных элементов, каждый из которых связан прямо или косвенно с каждым другим элементом, а два любые подмножества этого множества не могут быть независимыми не нарушая целостность, единство системы. Автоматизированной информационной системой (АИС) называют организационно-техническую систему, использующую автоматизированные информационные технологии в целях обучения, информационно-аналитического обеспечения научно-инженерных работ и процессов управления. В соответствии с данным определением ГИС попадает в класс автоматизированных информационных систем. Еще одной особенностью ГИС является то, что она является интегрированной информационной системой. Интегрированные системы построены на принципах интеграции технологий различных систем. Они зачастую применяются настолько в разных областях, что их название часто не определяет все их возможности и функции. По этой причине не следует связывать ГИС с решением задач только геодезии или географии. "Гео" в названии геоинформационных систем и технологий определяет объект исследований, а не предметную область использования этих систем. Необходимо рассмотреть место ГИС среди других автоматизированных систем, что требует дать краткую классификацию этих систем. Выбирая различные аспекты рассмотрения автоматизированных информационных систем можно дать различные их различные классификации. По принадлежности к конкретной предметной области можно подразделить информационные системы на три класса: технические, экономические, информационно-аналитические. К техническим относят автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), системы автоматизированного проектирования (САПР), гибкие производственные системы (ГПС), робототехнические комплексы (РТК)идр. Информационно-аналитические автоматизированные системы включают: автоматизированные справочно-информационные системы (АСИС), базы данных (БД), экспертные системы (ЭС), статистические информационные системы (СтИС) и т.п. Примером экономических систем могут служить автоматизированные системы управления (АСУ), бухгалтерские информационные системы (БУ-ИС), банковские информационные системы (БИС), биржевые информационные системы (БИС), маркетинговые информационные системы (МИС) и др. Особенностью ГИС как интегрированной системы является то, что она интегрирует технологии трех перечисленных выше классов систем: технических, информационно-аналитических и экономических. Следовательно, ГИС могут быть использованы как любая из этих систем.

Глава 1. Информационные системы

1.1 Аспекты применения ГИС

По аспекту применения АИС их подразделяют для разных уровней управления на:

* АИС операционного управления (оперативное управление);

* АИС для менеджеров среднего звена (тактическое управление);

* АИС руководящего персонала (стратегическое управление).

Как система управления ГИС применима на всех трех уровнях. В первой части книги описываются родственные с ГИС информационные системы, технологии которых используются в ГИС. В ней даются основы построения моделей данных и технологии организации данных в ГИС. Рассмотрены отдельные прикладные вопросы применения ГИС. Основными внутренними данными ГИС являются базовые цифровые карты и цифровые модели, теоретической основой которых являются положения и методы создания и использования их геодезической и математической основы, все элементы которых построены в единой геодезической системе координат, проекции, размерности и системе мер. При создании и использовании карт, являющихся базой построения данных ГИС, рассматривают и используют геодезическую систему координат и плоские прямоугольные координаты каргшрафических проекций исходных материалов, геодезические координаты и проекции создаваемых базовых карт, на основе которых осуществляется построение цифровых моделей в ГИС и практически реализуются все задачи ГИС. Рассматривается и используется также плоская локальная система координат, связанная с системой координат проекций создаваемых карт и моделей ГИС, для построения единой системы условных знаков и пространственной локализации элементов геоинформационных систем, а также для ослабления искажений в ГИС из-за различных факторов (деформация бумаги, несовмещение красок, нечеткой настройки элементов компьютерной техники и т.п.). Эффективное использование ГИС для решения разнообразных пространственно - локализованных задач требует от пользователя достаточного объема знаний о геодезических системах координат, картографических проекциях и других элементов математической основы карт ГИС, теоретических положениях о составлении, подготовке к изданию и изданию базовых карт, знаний о методах получения по карте различной информации, математических и других методов использования этой информации для решения пространственно-локализованных задач ГИС.

1.2 Информационные системы с пространственной локализацией данных

Среди информационных систем можно выделить, класс, который связан с обработкой данных, имеющих пространственную локализацию. Пространственной локализацией называют процесс соотнесения разных видов информации к некой пространственно определенной системе. Такой системой может быть декартова система координат; географическая система координат; классифицированная совокупность территориальных объектов и т.п. Локализация может осуществлятся применением специальных классификаторов или на основе привязки к выбранной системе координат. Атрибутивной называется локализация, осуществляемая на основе классификации свойств объекта или его местоположения в заданной системе классификаторов. Примером такого подходя могут служить классификаторы, применяемые в официальной статистике. Позиционной называется локализация, осуществляемая на основе привязки точек объекта к системе координат. Позиционированием называют процесс привязки точек объекта к системе координат. Примером позиционирования может служить процесс привязки объектов к координатной сетке при построении чертежей в САПР. Пространственная локализация применяется для анализа различных типов объектов: локализованных (точечных), линейных, сетевых или площадных объектов.

1.3 Статистические информационные системы

Среди информационных систем работающих с пространственно-локализованными данными наиболее известными являются статистические информационные системы. Статистические информационные системы (СтИС) являются частью и основой государственной статистики - одного из важнейших звеньев в системе регулирования и управления экономикой страны. Основными задачами СтИС являются: сбор, обработка и представление статистической информации различным пользователям о деятельности всех отраслей экономики и подведомственных им предприятий, расположенных на различных территориях; обработка статистической информации на основе научно обоснованной статистической методологии, соответствующей потребностям общества на современном этапе, а также международным стандартам; гарантирование полноты и научной обоснованности всей официальной статистической информации; контроль и комплексное согласование статистических данных на основе отраслевых, территориальных, локальных и специальных наблюдений; предоставление статистической информации путем представления различных форм и видов информационных документов. Все данные, применяемые в ходе обработки в СтИС, имеют три группы характеристик: "время", "место", "тема". Результатом обработки информации в СтИС является информация, предназначенная для поддержки принятия решений, т.е. для получения управляющей информации. Управляющая информация предназначена для воздействия на объект управления. Под объектом управления в системе управления понимается элемент системы, который для нормального функционирования нуждается в контроле и регулировании. Объектами управления в системе народного хозяйства страны выступают отрасли экономики, их предприятия и организации. Для управления объектами создается управляющая система, которая обеспечивает их своевременное приведение к нормальному функционированию. Органы управления воздействуют на объекты управления посредством прямой связи (задания) и обратной связи (отчетность) через органы государственной статистики, т.е. через СтИС. Таким образом, СтИС как информационные системы, работающие с пространственно локализованными данными, являются звеном обратной связи в системе государственного управления. Пространственная локализация данных обеспечивает привязку различных экономических показателей к объектам управления, имеющим территориальный характер. Для СтИС как систем, работающих с пространственно локализованными данными, характерно понятие уровня и масштаба действия. Уровень определяется местом СтИС в системе управления (горизонтальные связи), масштаб действия определяется: сферой действия, степенью обобщения информации и соотношением входной и выходной информации. Например, СтИС регионального уровня собирают и обрабатывают информацию, касающуюся данного региона. СтИС отдельного предприятия обрабатывают информацию, касающуюся деятельности данного предприятия, которая может включать региональные и межрегиональные данные. Отраслевые СтИС обрабатывают и обобщают информацию данного министерства или отрасли по тем регионам, в которых расположены предприятия данной отрасли. Наконец СтИС Госкомстата обобщают информацию по всей стране. Это определяет СтИС как разномасштабную по действию систему. Данные в СтИС организованы в виде атрибутивных таблиц, содержащие описательную информацию по каждому из пространственных объектов. Одним из способов представления статистических данных таблиц является деловая графика.

1.4 Региональная эколого-экономической система

Региональной эколого-экономической системой (РЭЭС) называют информационную систему, организованную на основе устойчивых управленческих, технических, экономических, биологических и других типов связей, между предприятиями, относящихся к данному региону. Целью функционирования РЭЭС является гармоничное развитие региона с сохранением его экологического баланса. Достижение этой цели осуществляется путем сбора, обработки, хранения и анализа информации об эколого-экономической ситуации в данном регионе. Таким образом, масштаб действия данной системы ограничен регионом. Данные, собираемые и хранимые в системе, включают три обобщающих группы характеристик: "место", "время", "тема". В отличие от рассмотренной выше статистической информационной системы в РЭЭС осуществляет не только сбор и анализ данных, но и выработка управляющих решений для гармонизации эколого-экономической ситуации. Другим отличием от СтИС, в которых по мере повышения уровня анализа все большее место отводилось задачам обобщения, в РЭЭС является наличие задач анализа и дифференциации. В качестве одного из методов дифференциации используется сегментация, как отдельных задач, так и региона. Сегментация региона означает деление его на более мелкие части на основе выбираемых признаков. Региональная сегментация, включающая экономическое, политическое и другое деление на основе поведенческих и психологических особенностей покупателей, а также сегментация по разности конечных потребителей образуют сложную систему региона. В отличие от СтИС эти системы не только являются звеном обратной связи в системе управления, но и включают в себя звено управления. Кроме того, в них основными являются не только задачи обобщения данных, но и противоположные задачи дифференциации. В отличие от СтИС, имеющих разные уровни управления и масштабы сбора данных, в РЭЭС фиксирован уровень управления и масштаб собираемых данных. В качестве третьего вида системы, работающей с пространственно локализованными данными, рассмотрим маркетинговую информационную систему (МИС). В современном маркетинге маркетинговая информация собирается, анализируется и распределяется в рамках маркетинговой информационной системы.

1.5 Маркетинговая информационная система

Маркетинговой информационной системой (МИС) называют систему, содержащую комплекс процедур и методов, предназначенный для сбора, обработки и анализа информации, необходимой для поддержки или принятия маркетинговых решений. Современные маркетинговые системы должны хранить большой объем информации. Для этой цели применяют встроенные или внешние базы данных. База данных маркетинговой информационной системы должна содержать информацию: о размещении объектов; о транспортных потоках и сетях перемещения товара или продукта; о финансовом положении клиента или посредника; о конкурентах их сфере деятельности; о структуре рынка и размещении потенциальных потребителей; о динамике спроса и предложения; о состоянии курсов валют и др. Можно свести эти параметры к трем группам характеристик: "время", "место", ценность ("тема"). Кроме базы данных для обработки и анализа, данных маркетинговая информационная система должна содержать банк моделей и банк методов статистических исследований. Банк методов статистических исследований - совокупность современных методик статистической обработки информации, позволяющих наиболее полно вскрыть взаимозависимости в рамках подборки данных и установить степень их статистической надежности. Банк моделей - набор экономике - математических моделей, способствующих принятию более оптимальных маркетинговых решений. МИС трансформирует данные, полученные из внутренних и внешних источников, в информацию, необходимую для руководителей и специалистов маркетинговых служб, принимающих соответствующие решения. Данные из внешних источников получаются на основе проведения маркетинговой разведки и маркетинговых исследований. Маркетинговая разведка - сбор текущей информации на основе использования разнообразных процедур и источников информации об изменении внешней среды маркетинга. Она необходима как для разработки, так и корректировки маркетинговых планов. Маркетинговые исследования в отличие от маркетинговой разведки предполагают тематический сбор и анализ данных по конкретным маркетинговым ситуациям, с которыми столкнулось предприятие. В МИС входит подсистема поддержки маркетинговых решений, в которой с помощью определенных методов (например, моделей корреляционного анализа, расчета точки безубыточности) на основе созданной базы маркетинговых данных осуществляется доступ к информации, необходимой руководителям для принятия решений, а также ее анализ в заданном направлении. В подсистему поддержки маркетинговых решений может входить набор процедур и логических алгоритмов, основанных на опыте экспертов и называемых экспертными системами. Современные экспертные системы способны давать советы в таких различных областях знаний, как диагностика заболеваний, геологоразведка, уплата подоходного налога, проблемы маркетинга. В каждой из этих областей приходится иметь дело с информацией, которая не отличается строгостью, чрезвычайно сложна, что затрудняет использование обычного программного обеспечения; однако экспертные системы справляются с ней зачастую лучше чисто формализованных систем. Знания, используемые в каждой такой системе, были получены от специалистов данной области в виде правил, обычно многих из сотен, которые в совокупности создают "базу знаний" компьютера. Экспертная система состоит из базы знаний и механизма "вывода" - программы, которая способна находить логические следствия из всей совокупности имеющихся в системе правил. Действуя в соответствии с заложенными в базе знаний правилами, компьютер запрашивает у пользователя необходимую информацию, а затем сообщает свои выводы и рекомендации. Таким образом, этот тип информационной системы, работающей с пространственно локализованными данными, также включает три группы данных: "место", "время", "тема". МИС включает не только базы данных, для хранения информации, но и базы данных обрабатывающих программ, банк моделей. Особенностью этих систем является то, что они могут рассматриваться как системы поддержки принятия решений. Это обусловлено их спецификой, поскольку одной из типовых задач маркетинговых исследований является подготовка набора альтернатив для принятия решений в зависимости от возможной ситуации. Кроме того, особенностью этих систем является решение прогнозных задач. В свою очередь, решение прогнозных задач требует проведения исследований не только объекта управления, но и среды, в которой он находится. Необходимость прогнозирования требует построения моделей объекта исследования и внешней среды.

1.6 Системы автоматизированного проектирования

Еще одним типом автоматизированных информационных систем, работающих с пространственно - локализованными данными, являются системы автоматизированного проектирования (САПР). Современные САПР используют базы данных типовых элементов и типовых процедур преобразования. Основным назначением САПР является проектирование, т.е. построение оптимального проекта из исходных элементов и на основе технического задания на проектирование и заданных критериев оптимальности. В САПР осуществляется работа с пространственными данными, которые должны быть позиционированы, т.е. определены в известной системе координат. С позиционированием данных в САПР связано понятие сетки. Сетка предоставляет механизм регистрации положения графики по однородным интервалам чертежа или слоя. В основании сетки лежат градации, представляющие собой заданную долю выбранных единиц измерения страницы (дюймы, сантиметры, и т.д.). Сетка может быть активна или пассивна. Если сетка активна, то при создании, перемещении или растяжении графики каждая ее координата привязывается (замыкается) к ближайшей точке сетки. Объектно-ориентированое проектирование графических объектов осуществляют с использованием классов, подклассов, наследования свойств объектов, порождения объектов и др. Важным свойством пакетов САПР является возможность построения видов. Каждый вид в САПР предоставляет уникальную проекцию, облегчающую анализ отображаемых данных. Типизация данных в САПР привела к концепции послойного представления графической информации. Слои можно делать видимыми или невидимыми, редактируемыми или не редактируемыми, активными или неактивными. Слои позволяют создавать графические композиции и осуществлять групповую обработку информации, что существенно повышает производительность обработки данных. Слои позволяют создавать проекты и чертежи с помощью компоновки выбранных элементов. Компоновки динамичны, потому что имеют связь с набором шаблонов и типовых проектных элементов. Пакеты САПР, как правило, допускают возможность применения дополнительных программ создаваемых пользователем с помощью языков высокого уровня или с помощью макроязыков типа AutoLISP. Используя эту возможность, пользователь может настроить под свои задачи практически любые элементы управления, начиная от создания новой кнопки, выполняющей новую программу, до создания дополнительного графического интерфейса. Завершением обработки информации в САПР является проект. При этом все компоненты проекта, полученные в процессе сеанса работы: виды, таблицы, слои, компоновки и программы сохраняются в одном файле. Важным понятием САПР, связанным с объектно-ориентированным проектированием являются классы. Класс определяет и объединяет общий набор типовых проектных элементов, графических объектов, атрибутов и операций. Понятие класса упрощает создание объектов. Все объекты являются примером специфического класса. Например, класс проектов домов позволяет создавать индивидуальные проекты для каждого дома. В автоматизированных системах (не только в САПР) проект - это файл, в котором хранится вся информация, необходимая для реализации проекта. Проект может содержать: техническое задание, пояснительные записки, таблицы, диаграммы, чертежи разных масштабов, общие виды, детали и фрагменты деталей, схемы компоновки элементов проекта, атрибуты (описательные характеристики) и т.п. В приложении к проекту могут содержаться справочные материалы, стандарты, тексты программ, теоретические обоснования методов решения, словари и пр. Компонентами проекта называют все, что входит в состав проекта и его приложений. Программная реализация проекта осуществляется в виде некого файла, который называют файлом проекта. Файл проекта содержит данные для построения графики, данные описаний, точностные характеристики, информацию о времени получения проектных решений, о сроках годности проекта, о времени внесения исправлений. Особенностью работы с графикой и особенностью визуальной обработки информации в информационных технологиях является применение так называемого графического интерфейса пользователя. Этот интерфейс в соответствии с "де-факто" стандартом фирмы Microsoft представляет собой многооконные конструкции с набором меню, кнопок и т.п. Таким образом, данные в САПР также могут быть сведены в три группы: "место", "время", "тема". Введение координатной сетки приводит к введению понятия масштаба чертежа, т.е. отношения единицы чертежа к единице проектируемого объекта в натуре. Масштаб чертежей САПР по сравнению с рассмотренными выше системами незначителен: инженерные объекты имеют масштабы 1:100, 1:20. Детали 1:10 - 1:1. Особенностью масштаба в САПР является его неизменность в любой точке чертежа. Другой особенностью САПР является получение графической информации в определенной системе координат и появление такой характеристики как точность позиционирования. Кроме того, в САПР впервые введена возможность послойного представления графической информации и процедуры обработки слоев. Обработка слоев означает применение процедур обработки групп объектов принадлежащих одному слою. В САПР существует понятия метрических и атрибутивных характеристик.

1.7 Отраслевые системы автоматизированного управления

Отраслевые системы автоматизированного управления (ОАСУ) относятся к классу систем автоматизированного управления. Основное назначение этих систем - поддержка принятия решений на уровне отрасли или министерства. ОАСУ являются частью и основой системы регулирования и управления экономикой страны. Основными задачами ОАСУ являются: сбор, обработка и представление отраслевой информации о деятельности подведомственных предприятий, расположенных на различных территориях; обработка информации на основе научно обоснованной методологии управления и поддержки принятия решений; контроль и управление объектами отрасли в системе прямой и обратной связи, реализующей автоматизированное управление; предоставление отчетов и справок о деятельности отрасли на основе автоматизированного составления различных форм и видов информационных документов. Все данные, применяемые в ходе обработки в ОАСУ, имеют три группы характеристик: "время", "место", "тема". Результатом обработки в ОАСУ является информация, предназначенная для поддержки принятия решений, т.е. для получения управляющей информации. Управляющая информация предназначена для воздействия на объект управления. Под объектом управления в системе управления понимается элемент системы, который для нормального функционирования нуждается в контроле и регулировании. Основными объектами управления в отрасли являются предприятия и организации. Для управления объектами в ОАСУ создается управляющая система, которая обеспечивает их своевременное приведение к нормальному функционированию. Органы управления воздействуют на объекты управления посредством прямой связи (задания) и обратной связи (отчетность). Таким образом, ОАСУ как информационные системы, работающие с пространственно локализованными данными, являются звеном прямой и обратной связи в системе государственного управления. Пространственная локализация данных обеспечивает привязку различных экономических показателей к объектам управления, имеющим территориальный характер. Для ОАСУ как систем, работающих с пространственно локализованными данными, характерно понятие масштаба действия. Масштаб действия ОАСУ определяется: сферой отрасли. ОАСУ обрабатывают и обобщают информацию данного министерства или отрасли по тем регионам, в которых расположены предприятия данной отрасли. Это определяет ОАСУ как систему одного масштаба действия. Данные в ОАСУ организованы в виде атрибутивных таблиц, содержащие описательную информацию по каждому из пространственных объектов. Одним из способов представления статистических данных таблиц является деловая графика. Локализация данных осуществляется в ОАСУ, как и в СтИС, на основе классификационного подхода.

Глава 2. Общие характеристики

2.1 Системы с пространственной локализацией данных

Рассмотрев отдельных представителей класса информационных систем с пространственной локализацией данных, можно дать некоторые обобщенные характеристики этому классу.

1. Автоматизированные информационные системы с пространственной локализацией данных (АИСПЛД) применяются при обработке информации о пространственных или территориально распределенных объектах и требуют привязки данных к территории или системе координат.

2. Объекты, информация о которых обрабатывается в таких системах, могут иметь разные типы: точечные (локализованные в небольшой части территории), линейные, сетевые, площадные.

3. Данные, хранимые и обрабатываемые в информационных системах с пространственной локализацией данных, содержат три группы характеристик: "место", "время", "тема".

4. Данный класс информационных систем в общем случае неправильно называть как "географическими", так и "геодезическими". Локализация данных в этих системах осуществляется за счет применения различных наборов классификаторов, связанных с субъектами федерации, территориями, отраслями, городами, а также путем позиционирования, т.е. использования системы координат

5. АИСПЛД в обязательном порядке должны включать в свой состав базу или совокупность баз данных: для хранения исходных данных, для хранения набора методов анализа данных, для хранения моделей данных.

6. Основным видом информации, хранимой в АИСПЛД, является статистическая (табличная) информация.

7. Особенностью информационных систем с пространственной локализацией данных являются также наличие не только баз данных, но и баз моделей и баз алгоритмов и программ.

8. Для поддержки принятия решений в АИСПЛД широко используются методы компьютерной графики и деловой графики, которые позволяют дать наглядное представление статистической информации или результатам ее обработки.

9. АИСПЛД применяют для: сбора и обобщения информации; управления; поддержки принятия решений; проектирования и моделирования; оптимизации решений или проектов; информационно - аналитических целей; пространственного, статистического, экономического, экологического и других видов анализа; прогнозирования; хранения информации и представления данных в удобном для пользователя виде.

10. В АИСПЛД осуществляется связь между графическими и табличными данными. Такая связь позволяет преобразовывать статистические данные в графическую форму, манипуляции с графической информацией отражать в виде совокупности табличных данных.

11. Для АИСПЛД появляются новые характеристики, такие как территориальный уровень использования, масштаб действия системы, масштаб чертежа, уровень управленияи т.п. При этом они обладают всеми возможностями обычных автоматизированных информационных систем.

12. При работе с компьютерной графикой в АИСПЛД используется технология сетки. Сетка предоставляет механизм регистрации положения графики по однородным интервалам в чертежа или слоя. В основании сетки лежат градации, представляющие собой заданную долю выбранных единиц измерения страницы (дюймы, сантиметры, и т.д.).

13. В АИСПЛД для построения моделей объектов или проектов широко применяют объектно-ориентирование моделирование и проектирование графических объектов.

14. При организации графической информации в АИСПЛД применяют механизм слоев, в которых графическая информация размещается по заданным тематическим признакам.

15. Завершением обработки пространственных позиционированных данных в АИСПЛД является проект. Он включает следующие компоненты проекта, полученные в процессе сеанса работы: виды, таблицы, слои, композиции, компоновки и программы. Процесс изучения окружающей действительности и принятия решений с помощью этих систем сводится к применению наборов моделей для описания объектов исследования и моделей для описания среды нахождения объектов. Возможно использование моделей для описания взаимосвязей "объект-среда". Результатом обработки пространственно-локализованных данных может быть проект с совокупностью компонент.

16. Основным назначением этих систем является анализ информации, управление и поддержка принятия решений.

Организация баз данных в системах пространственной локализации данных

Системы с пространственной локализацией данных включают различные базы: базы данных, базы моделей объектов, базы программ и алгоритмов обработки. В общем случае эти разнообразные базы можно рассматривать как базы данных различного содержания. Большинство современных БД, построенных на основе так называемых реляционных моделей, имеют табличную форму и иногда называются табличными. По этой причине главным принципом организации таких БД является создание одной или совокупности взаимосвязанных между собой таблиц. Первым этапом создания БД является определение включаемых в нее характеристик и построение логической записи, включающей все описательные характеристики. Вторым этапом является создание на основе полученной логической записи нескольких таблиц с помощью процедур нормализации. Основными понятиями реляционных баз данных являются тип данных, домен, атрибут, кортеж, первичный ключ и отношение Тип данных представляет собой типизированную модель данных, т.е. модель данных, выделенных по ограниченному числу признаков или одному признаку. Примером типизированных данных могут являться характеристики времени, координаты, процентные величины и т.п. В современных БД допускается хранение различных типов: символьных, числовых данных, битовых строк, "темпоральных" данных (дата, время, временной интервал). В общем виде домен определяется заданием базового набора одного типа данных и произвольного логического выражения, применяемого к элементу типа данных. Если вычисление этого логического выражения дает результат "истина", то элемент данных является элементом домена. Атрибут определяет свойства сущностей. Он может иметь значения, различные для объектов базы данных. Схема отношения - это именованное множество пар {имя атрибута, имя домена (или типа, если понятие домена не поддерживается)}. Степень или "арность" схемы отношения - мощность этого множества. Если все атрибуты одного отношения определены на разных доменах, можно использовать для именования атрибутов имена соответствующих доменов. Кортеж, соответствующий данной схеме отношения, - это множество пар {имя атрибута, значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношения. "Значение" является допустимым значением домена данного атрибута (или типа данных, если понятие домена не поддерживается. Отношение - это множество кортежей, соответствующих одной схеме отношения. Иногда, чтобы не путаться, говорят "отношение-схема" и "отношение-экземпляр", иногда схему отношения называют заголовком отношения, а отношение как набор кортежей - телом отношения. Обычным представлением отношения является таблица, заголовком которой является схема отношения, а строками - кортежи отношения-экземпляра; в этом случае имена атрибутов именуют столбцы этой таблицы. Поэтому иногда говорят "столбец таблицы", имея в виду "атрибут отношения". Этой терминологии придерживаются в большинстве коммерческих реляционных СУБД. При создании таблицы БД в нее добавляется столбец с неповторяющимися (уникальными) значениями для строк таблицы. Такой столбец служит для идентификации (однозначного определения) любой строки таблицы и называется внутренним ключом, "ключевым столбцом", идентификатором (ИД). Считается, что строка таблицы описывает законченное понятие (сущность) или объект, поэтому внутренний ключ используется для однозначного определения любого объекта таблицы. При организации реляционных БД используются следующие понятий: Базовая таблица - таблица, которая содержит столбец, описывающий свойство и первичный ключ. Промежуточная таблица - таблица, которая не является базовой и используется для обеспечения связи между другими таблицами. Составной ключ- ключ, применяемый для однозначного определения объекта таблицы, который используют не одно, а несколько полей в таблице. Внешний ключ-столбец, значения которого соответствуют значениям первичного ключа другой таблицы, взаимосвязанной с данной таблицей. Внешний ключ может состоять из 1 или нескольких столбцов, в этом случае он называется составным внешним ключом. Создание БД заключается в разработке ее структуры, т.е. создание совокупности взаимосвязанных таблиц. Процесс проектирования БД включает следующие этапы: 1) определение объекта, данные о котором должны содержаться в БД; 2) выявление связей между объектами; 3) определение основных свойств объекта, которые будут храниться в БД; 4) выявление связей между свойствами объекта; 5) составление логической записи общей таблицы, включающей все свойства объекта; 6) создание нескольких таблиц из общей, на основе процедур нормализации; 7) определение операций при использовании таблиц и создание на их основе запросов; 8) создание, если необходимо, форм ввода данных и форм отчета.

2.2 Нормализация данных

Нормализация представляет собой процедуру построения нескольких взаимосвязанных таблиц из одной таблицы. Нормализацией называют также процесс, который позволяет преобразовывать иерархическую (древовидную) модель в реляционную (табличную). Процесс проектирования БД представляет собой процесс нормализации, т.е. построения совокупности нормальных форм, при котором каждая последующая нормальная форма обладает свойствами лучшими, чем предыдущая. Каждой нормальной форме соответствует некоторый набор ограничений. Основные свойства нормальных форм:

каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.

В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм: первая нормальная форма (1NF); вторая нормальная форма (2NF); третья нормальная форма (3NF); нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF); четвертая нормальная форма (4NF); пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF). Целью нормализации является:

1) Уменьшение объема для хранения данных.

2) Повышение эффективности работы БД. Процедура нормализации выполняется поэтапно.

Существует пять этапов нормализации, которые называются в теории проектирования БД построением нормальных форм. На первом этапе, при построении первой нормальной формы, требуется, чтобы таблица, содержащая характеристики объекта и их значения, была двухмерной и не содержала повторяющихся групп. Двухмерность означает, что таблица должна определятся двумя параметрами: длиной - количеством строк или записей; шириной - количеством столбцов или полей. Если в таблице содержатся повторяющиеся данные, то они выносятся в другую таблицу. Чтобы в ячейке не содержалось несколько величин, вводят третье измерение-глубину, которое также требует создание отдельной таблицы. На втором этапе нормализации (при построении 2-ой нормальной формы) требуется, чтобы данные во всех полях (столбцах) таблицы, полностью зависели от первичного или составного ключа. На третьем этапе (при построении 3-ей нормальной формы) требуется, чтобы все не ключевые столбцы были независимы друг от друга. Если такая зависимость появляется, то это служит основанием для разбиения таблицы. На четвертом этапе (при построении 4-ой нормальной формы) требуется, чтобы в одной таблице не содержались элементы данных, если между ними существуют отношения "ко многим многие" или " один ко многим". На пятом этапе (при построении 5-ой нормальной формы) требуется, чтобы можно было восстановить исходную таблицу на основе информации тех таблиц, на которые она была разбита. База данных может содержать любое число таблиц.

2.3 Особенность создания баз данных с пространственно - локализованными данными

Организация и хранение информации, связанной с пространственно локализацией имеет свои особенности, которые определяются разнообразными типами информации и наличием графических данных. Рассматривая три характеристики "место", "время", "тема", следует отметить, что особенность заключается в организации с хранением данных отражающих свойство "место". Данные "время" и "тема" хранятся традиционными способами в таблицах. Характеристика "место" определяет данные, которые хранят геометрическое местоположение пространственных объектов вместе с атрибутивной информацией об этих объектах. Характеристики "место" могут хранится в табличной и графической формах. Эта возможность двойственного представления данных этой группы служит основой привязки характеристик "время" и "тема" к группе характеристики "место". Графические данные о местоположении хранятся в векторных или растровом виде, а соответствующая атрибутивная информация во множестве таблиц, связанных с описываемыми объектами. Это называют пространст-венносвязаннон структурой данных. Пространственные данные могут быть организованы тематически в виде совокупности уровней (слоев), или тем. Одна тема представляет одно множество пространственных объектов или явлений, объединенных по каким-то общим признакам. Таким образом, база данных информационной системы с пространственной локализацией данных должна содержать табличную информацию, связанную с графическими объектами. Эта связь должна быть двухсторонней. Изменение табличных данных должны приводить к изменению графического представления пространственных объектов, а изменение графических объектов должно приводить к изменению содержимого таблиц или к появлению новых таблиц. Одним из методов работы с пространственными данными является использование индексов. Индекс - форма ссылки к данным, который ускоряет доступ к данным, упорядочивая значения по полю. Индекс может постоянно находиться как файл на диске - постоянный индекс, или это может быть индекс, созданный на время сеанса работы -временный индекс. Для индексации пространственных объектов применяют пространственные индексы, которые ускорят отображение графики. Индексы пространственных объектов могут выводиться как графические образы, что помогает при анализе и интерпретации локализованных данных. Индекс атрибута помогает быстрее найти записи в таблицах атрибутов. Он повышает эффективность операций поиска данных. Одним из подходов к организации индексов является использование техники хэширования. Идея методов хэширования заключается в применение к значению ключа некоторой функции свертки (хэш-функции), вырабатывающей значение меньшего размера. Свертка значения ключа затем используется для доступа к записи. В простейшем случае свертка ключа используется как адрес в таблице, содержащей ключи и записи. Основным требованием к хэш-функции является равномерное распределение значение свертки. При возникновении неоднозначности (одна и та же свертка для нескольких значений ключа) образуются цепочки переполнения. Главным ограничением этого метода является фиксированный размер таблицы. Если таблица заполнена слишком сильно или переполнена, но возникнет слишком много цепочек переполнения, и главное преимущество хэширования - доступ к записи почти всегда за одно обращение к таблице - будет утрачено. Расширение таблицы требует ее полной переделки на основе новой хэш-функции (со значением свертки большего размера). В случае баз данных такие действия являются неприемлемыми. Поэтому обычно вводят промежуточные таблицы-справочники, содержащие значения ключей и адреса записей, а сами записи хранятся отдельно. Тогда при переполнении справочника требуется его переделка, что вызывает меньше затрат по сравнению с переделкой базы данных. Для исключения полной переделки справочников при их организации используют технику бинарных деревьев с расщеплениями и слияниями. Хэш-функция при этом меняется динамически, в зависимости от глубины В-дерева. Путем дополнительных технических ухищрений удается добиться сохранения порядка записей в соответствии со значениями ключа. В целом методы В-деревьев и хэширования все более сближаются. При организации базы данных пространственно - локализованных информационных систем применяют три схемы. Первая условно называется внутренней.Она основана на использовании внутренней базы данных информационной системы, например ГИС. Вторая схема называется локальной. Она основана на подключении к информационной системе внешней базы данных с помощью соответствующего интерфейса. Третья схема называется глобальной. Она основана на создании базы данных на Web-сервере и создании интерфейсов, позволяющих обмениваться информацией через глобальную сеть.

2.4 Структура интегрированной системы

Современные автоматизированные интегрированные информационные системы имеют качественное отличие от специализированных автоматизированных информационных систем существовавших ранее. Десять - пятнадцать лет назад существовало два вида систем, которые отличались друг от друга. Первый класс образовывали системы, предназначенные для обработки данных: системы обработки данных (СОД), автоматизированные системы управления (АСУ). Впоследствии эти системы были интегрированы в единый класс систем обработки данных и управления (СОДУ) Другой класс образовывали специализированные системы, предназначенные, преимущественно, для хранения информации. Первоначально эти системы были не автоматизированы, и их целью было создание картотек и упорядочение большого объема информации содержащейся в архивах. Первые "информационные системы" - (ИС) - были полуавтоматизированы. Развитие компьютерной технологии и вычислительной техники привело к созданию автоматизированных информационных систем (АИС), основными функциями которых были организация хранения информации и организация эффективных запросов к хранимой информации. Архивы дальнейшее развитие автоматизированных технологий привело к появлению баз данных (БД) и экспертных систем (ЭС), которые стали составными частями АИС.В настоящее время базы данных служат основой хранения информации во многих автоматизированных информационных системах и в первую очередь в интегрированных. Развитие технологий искусственного интеллекта и интеллектуальной обработки данных, привело к появлению "экспертных систем" - (ЭС). Главное отличие ЭС от БД - заключается в способности принимать решения несанкционированное пользователем. Современные автоматизированные интегрированные информационные системы (АИИС) должны обладать свойствами систем двух вышерассмот-ренных классов, т.е. они должны обладать возможностью обработки данных и методами ее эффективного хранения. Элементом (системы) называют простейшую структурную составляющую системы, которая в рамках данной системы не структуризуется. Любая современная автоматизированная интегрированная информационная система (ГИС в частности) в обязательном порядке включает совокупность подсистем, соответствующих обычным специализированным автоматизированным информационным системам (АИС) или системам обработки данных и управления (СОДУ). Типовая интегрированная информационная система включает следующие подсистемы:

подсистему сбора;

подсистему хранения данных (чаще всего это база данных или экспертная система);

подсистему обработки данных (моделирования); подсистему представления информации;

телекоммуникационную подсистему

Наличие этих подсистем определяет различные аспекты интеграции данных и методов обработки. Это - интеграция исходных данных, интеграция технологий сбора, интеграция данных для хранения и моделирования, интеграция технологий обработки, интеграция технологий хранения, интеграция данных для представления и передачи, интеграция технологий представления информации. Интеграцией (в системе или систем) называют восстановление и (или) повышение качественного уровня взаимосвязей между элементами системы, а также процесс создания из нескольких разнородных систем единой системы, с целью исключения (до технически необходимого минимума) функциональной и структурной избыточности и повышения общей эффективности функционирования. В современных АИИС следует различать два дополняющих друг друга вида интегрирования:

интеграцию технологий;

интеграцию данных.

Интеграция технологий означает разработку комплекса технологий сложной на основе некой базовой технологии. Интеграция данных означает создание информационной основы с комплексным согласованием всех данных для оптимального использования. Интеграция данных означает также, что для создания информационной основы выбирают определенный класс данных, а все остальные типы или классы данных преобразуются применительно к свойствам этого класса. Таким образом, интеграция данных требует предварительной классификации данных и разработки системы классификаторов.

Дадим понятия основных частей информационной интегрированной системы. Верхним уровнем понятий в интегрированной среде является "Интегрированная система". Она представляет собой независимый комплекс, в котором осуществляются все процессы обработки, обмена и представления информации. Схема системы включает в себя системные уровни, подсистемы, процессы, задачи.Более низким уровнем по отношению к "Системе" является Системный уровень. Этим термином определим часть системы, объединяющую подсистемы и процессы обработки по функциональным и технологическим признакам. Еще более мелким уровнем является Подсистема. Подсистему определим как часть системы, объединенную по функциональным методам обработки данных, включающих разные алгоритмы и методы моделирования. Подсистема может быть локальной или распределенной. Системный уровень может включать от одной до нескольких подсистем. Распределенной называют подсистему, состоящую из частей, расположенных на различных узлах сети, которые могут обслуживаться различными системами управления и допускают участие в работе нескольких пользователей из разных узлов сети. Локальная подсистема, в отличии от распределенной, сгруппирована в одной точке сети и, как правило, обслуживается одним пользователем. В подсистему входит как более мелкая часть процесс обработки даных. Процесс определим как совокупность методов, обеспечивающих peaлизацию алгоритма обработки или одного метода моделирования, решающего одну или несколько задач обработки данных. Он подразделяется на: локальный, системный, распределенный. Значение терминов локальный и распределенный аналогично значению их для подсистем. Системный процесс предназначен для обслуживания системы и как правило ои является "прозрачным" (т.е. незаметным) для пользователя. Наконец, самым мелким элементом системы является задача. С технологических позиций задача как элемент системы определяется простейшим технологическим циклом обработки типизированных данных. Системный уровень является описательным понятием, т.е. имеет технологическое назначение и логическое описание. Задача может быть связана с вычислениями или с технологическими процессами типа: ввода данных, формирования данных, визуального кон­троля данных и т.п. Следует подчеркнуть разницу между системным уровнем и подсистемой. Подсистема имеет всегда технологическое назначение, логическое описание и физическую реализацию. Так подсистема семантического моделирования может быть реализована как составная часть технологии сбора информации или как самостоятельная технология, например при формировании графических моделей. Физическая реализация АИИС осуществляется обычно на уровне подсистемы.

2.5 Информационная основа интегрированной информационной системы

Любая информационная система ориентирована на работу в конкретной предметной области. При построении интегрированной информационной системы необходимо учитывать и различать следующие понятия: объект исследования, модель объекта, составная модель данных, элементарная модель данных, информационная основа. Объектом исследования будет являться любой из объектов предметной области - все то, что может храниться в базе данных АИИС. При исследовании объектов окружающей действительности осуществляется сбор данных, часто разрозненных и неоднородных из которых необходимо формировать модели объектов.